[實用新型]用于大面陣天文CCD探測器深度制冷的TEC電制冷結構

有效

• 申請號: 201320193819.5
• 申請日: 2013-04-17
• 公開（公告）號: CN203216146U
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 賈磊
• 申請（專利權）人: 賈磊
• 主分類號: F25B21/02
• 分類號: F25B21/02
• 代理公司: 北京大成律師事務所 11352
• 代理人: 王衛東

技術領域

本實用新型應用于制冷技術領域，具體涉及一種用于大面陣天文CCD探測器深度制冷的TEC電制冷結構。

背景技術

天文學是建立在觀測基礎之上的科學。天文觀測之初，天文學家對人眼可見的明亮的發光星體進行觀測研究。隨著研究的逐步深入，天文學家開始研究那些距離地球更遠的、也更暗的肉眼不可見的天體，于是開始借助望遠鏡、乳膠相片等儀器設備來進行成像觀測。

隨著天文科學理論的不斷發展，也大大促進了天文儀器的快速發展，尤其是對光信號響應極為靈敏的光電器件CCD探測器的誕生，甚至可以使天文學家有機會研究宇宙誕生之初情況。越是年代久遠的發光天體，也意味著它們距離地球也更為遙遠，光信號也就更為微弱。即使是靈敏的CCD器件，當電路中的產生過多的熱噪聲和暗電流時，也會把接收到的光信號淹沒，得不到可研究的觀測圖像。為了使CCD探測器能夠探測到極暗天體，傳統的CCD成像設備是將CCD探測器放置在真空杜瓦中，使用液氮將溫度制冷至-50℃到-100℃進行工作，能夠有效的壓制電路產生的暗電流和熱噪聲，得到高信噪比的天文圖像。

液氮制冷杜瓦體積一般在200mm（圓型底座直徑）*400mm（高）尺寸，甚至更大，因為液氮腔體要設計的足夠大，一般能夠裝載2升左右的液氮能保證一個觀測夜的制冷需求，而且白天需要繼續添加液氮來準備下一個觀測夜。液氮杜瓦從常溫到把CCD從制冷到-70℃，大概需要4個小時，同樣要使CCD升溫也是如此。因此液氮杜瓦CCD設備在系統復雜性、維護工作量、維護耗費上，都要付出很大代價，尤其是在較多CCD成像系統的望遠鏡，日常運行和維護都極具挑戰。

實用新型內容

本實用新型解決的技術問題是提供一種用于大面陣天文CCD探測器深度制冷的TEC電制冷結構，該結構使用TEC制冷方式對CCD進行制冷，結構簡單，體積小，質量輕，制冷速度快，且溫控精度達到0.1℃，可替代復雜的液氮杜瓦制冷方式，避免使用液氮杜瓦帶來的液氮耗費和每天加注液氮等日常運行、維護工作。

為達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種用于大面陣天文CCD探測器深度制冷的TEC電制冷結構，包括真空杜瓦，CCD探測器、TEC制冷器和散熱系統，所述真空杜瓦內部設置CCD探測器和TEC制冷器，所述CCD探測器和TEC制冷器的冷端熱導通，TEC制冷器的熱端和散熱系統連接。

優選地，所述散熱系統設置在真空杜瓦的內部或外部。

優選地，所述散熱系統采用真空杜瓦內置水冷系統或者真空杜瓦外置風冷系統。

優選地，所述水冷系統設置在真空杜瓦的內部，由隔熱材料固定支撐。

優選地，所述風冷系統通過熱沉結構與真空杜瓦連接。

優選地，所述熱沉結構采用散熱片,風冷系統設置風扇與散熱片連接。

優選地，所述TEC制冷器采用多級TEC制冷片。

優選地，所述TEC制冷器的電路連接溫控器對CCD溫度時時監測,通過精確調節TEC輸入電流和電壓達到精確控溫，溫控精度達到0.1℃。

本實用新型與現有技術相比具有以下優點：

1）本實用新型對于4K*4K像素，像素尺寸15um的大面陣CCD，經實驗室證明可在30-60分鐘內使CCD探測器溫度從環境溫度（25oC）降至-50oC，特殊設計可低于-70oC，制冷溫度精度達到0.1oC。從而有效抑制CCD探測器電路當中產生的暗電流和熱噪聲等指標，尤其是在NIMO【non?inverted?mode?operation】型CCD進行快速曝光觀測或者IMO【inverted?operation】型CCD長曝光觀測時，在CCD溫度低于-50oC時使得這些與溫度相關的暗電流指標接近為0，從而得到高信噪比的暗天體圖像。實現了制冷絕對溫度低于-50oC，相對溫差接近100oC的功能，對大面陣CCD探測器制冷深度大，速度快。

2）本實用新型快速的制冷方式在IMO【inverted?operation】型CCD設備使用中夠完全替代傳統的液氮制冷方式，即使在非NIMO【non?inverted?mode?operation】型CCD設備短曝光工作狀態下也可替代液氮制冷方式。本方法大大簡化了杜瓦系統的結構、體積和質量，尤其是在設備運行和維護階段，消除運行維護人員了每天必須添加液氮的工作量，并省去了設備運行時液氮耗費。

3)如無特殊要求，使用本實用新型的CCD真空杜瓦體積不超過100mmx100mm圓柱形，結構簡單，體積小，質量小。

4）本實用新型TEC制冷方案只需在通電情況下，即可達到實現功能，無須日常特別維護和電力之外的其它耗費，運行和維護簡單。